Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологического процесса производства консервов из обжаренной рыбы как объекта управления 8
1.1. Операторная и логико-динамическая модели линии производства консервов из обжаренной рыбы 8
1.2. Анализ взаимосвязей управляющих воздействий с основными показателями процесса производства консервов из обжаренной рыбы 19
1.3. Сравнительный анализ методов и установок для обжаривания рыбы 24
1.4. Выбор архитектуры системы управления 26
Цели и задачи исследования 27
2. Моделирование процессов в рыбообжарочной печи 28
2.1. Анализ температурных полей и потерь энергии 28
2.2. Промышленные исследования процесса обжаривания 36
2.3. Моделирование динамики потери массы при обжаривании 43
2.4. Исследование механизмов повышения эффективности функционирования обжарочной печи 48
3. Алгоритмизация управления процессом обжаривания 52
3.1. Особенности задачи управления рыбообжарочной печью 52
3.2. Математическая модель рыбообжарочной печи как объекта управления 60
3.3. Динамические характеристики системы* автоматического регулирования температуры масла 68
3.4. Адаптация режима обжаривания к свойствам сырья 76
4. Построение системы управления процессом обжаривания рыбы 81
4.1 Технические предложения по совершенствованию автоматизированной рыбообжарочной печи 81
4.2 Алгоритм функционирования автоматизированной системы управления рыбообжарочной печи 89
4.3 Система автоматизации рыбообжарочной печи 96
4.4 Лабораторный измерительный комплекс 104
Результаты и выводы 112
Список использованной литературы 113
Приложения 118
- Анализ взаимосвязей управляющих воздействий с основными показателями процесса производства консервов из обжаренной рыбы
- Моделирование динамики потери массы при обжаривании
- Динамические характеристики системы* автоматического регулирования температуры масла
- Технические предложения по совершенствованию автоматизированной рыбообжарочной печи
Введение к работе
Современное развитие промышленности идет по пути создания высокоэффективных технологий, обеспечивающих снижение затрат энергии, вспомогательных материалов. Указанные эффекты достигаются совершенствованием технологического процесса, алгоритмов управления, повышением уровня автоматизации, производительности и надежности технологического оборудования и средств автоматизации.
Обжаривание рыбы в растительном масле является, по-прежнему, одним из основных видов тепловой обработки при выпуске консервов и кулинарных изделий.
Исследованию процесса обжаривания рыбы в масле и разработке технологического оборудования, оснащенного локальными средствами автоматизации, посвящены работы, выполненные Артюховой С.А., Барановым В.В., Бердышевым Д.О., Князевой Н.С., Шифом И.Г., Чупахиным В.М. и др.
Процесс обжаривания требует больших затрат энергии и масла. Совершенствование технологического оборудования и управления технологическим процессом обжаривания являются возможными направлениями снижения удельных затрат ресурсов и стабилизации качества продукта. Задачи по снижению затрат ресурсов на единицу массы обжаренной продукции и повышению ее качества, решаемые в данной работе, актуальны для рыбоконсервного производства.
В работе используются следующие основные направления по снижению технологической себестоимости производства обваренной рыбы: стабилизация процента ужаривания рыбы на рациональном уровне, уменьшение времени, затрачиваемого на подготовку печи к работе, локальных перегревов масла при запуске и в квазистационарном режиме работы печи. Решение вышеуказанных проблем наиболее эффективно при комплексном подходе, предусматривающем совершенствование систем управления и оборудования.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключается в обосновании принципов построения ресурсосберегающей автоматизированной системы управления процессом обжаривания рыбы, обеспечивающей выпуск высококачественной продукции в условиях нестабильности поступления сырья и его свойств. Цель достигается выбором рациональной схемы системы автоматического регулирования темпера-
5 туры масла, адаптацией режима обжаривания к свойствам сырья и модернизацией рыбообжарочной печи.
Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
анализ температурных полей в рыбообжарочной печи как основы для организации ресурсосберегающего управления процессом обжаривания рыбы;
разработка математической модели процесса обжаривания рыбы, выбор системы ограничений и критериев управления;
синтез алгоритма управления обжарочной печью, позволяющего стабилизировать качество продукции, уменьшить неравномерность температурного поля масла (основы снижения интенсивности его окисления и энергетических потерь);
разработка принципов построения ресурсосберегающей автоматизированной рыбообжарочной печи и технических предложений по ее реализации.
Методы и средства исследования. В работе используются методы теории автоматического управления, тепломассопереноса, математического и физического моделирования, планирования и обработки результатов экспериментов. Моделирование проводилось на персональном компьютере (ПК) Pentium- 4 с использованием пакетов прикладных программ VisSim, Maple, Mathcad, СИАМ, Классик и др.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:
Обоснована целесообразность управления процессом обжаривания рыбы на основе периодического измерения потери массы и разделения информативных переменных при выводе печи на рабочий режим, включая заполнение конвейера продуктом, и в квазистационарном режиме.
Получена математическая модель динамики потери массы рыбой, отвечающая основным концептуальным представлениям о механизме процесса и упрощающая выбор ресурсосберегающего режима обжаривания рыбы;
Разработаны алгоритм и структура ресурсосберегающей системы управления, обеспечивающей минимальное время выхода рыбообжарочной печи на рабочий режим при ограниченной неравномерности температуры масла и стабили-
6 зацию потери массы в условиях изменения свойств, расхода сырья и колебаний давления пара в подводящей магистрали; 4. Разработаны математические модели и исследованы температурные поля основных стадий процесса обжаривания рыбы как основы для совершенствования рыбообжарочных печей.
Практическая ценность работы. Разработаны технические предложения (свидетельство на полезную модель № 27466) по модернизации автоматизированной рыбообжарочной печи конвейерного типа, позволяющие снизить затраты энергии и масла на единицу массы продукции.
Предложенный способ (патент на изобретение № 2233109), позволяет минимизировать время подготовки печи к работе при ограничениях по температуре активного слоя масла, а также обеспечить селективную инвариантность показателей качества к основным возмущениям. На основе предложенного способа разработана система управления, способствующая стабилизации технологического режима, улучшения показателей качества продукции и уменьшению сырьевых и энергетических затрат на единицу готовой продукции.
Эффективность использования предложенного принципа построения автоматизированной рыбообжарочной печи и другие технические решения обосновывались методами математического и физического моделирования.
Реализация и внедрение результатов исследований. Полученные результаты использовались ООО «Балтрыбпром» при совершенствовании системы управления рыбообжарочной печью. Результаты исследования использовались в учебном процессе и нашли отражение в виде моделей, алгоритмов, программ, научно-исследовательских отчетов КГТУ и госбюджетных НИР:
63.51.100.2 «Совершенствование системы автоматизации технологических процессов переработки рыбы» (2000 г.)
63.51.800.2 «Совершенствование средств и систем автоматизации технологических процессов пищевых производств» (2001-2004 г.г.)
Разработаны лабораторные установки по исследованию распределения температуры в теле рыбы, потери массы в процессе обжаривания и способа снижения конвекции в пассивном слое масла. Поставлены и используются в учебном процессе Ка-
7 лининградского государственного технического университета лабораторные работы по исследованию моделей и алгоритмов управления рыбообжарочной печью. Результаты работы подтверждены актами внедрения. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы на различных этапах выполнения докладывались и обсуждались на международных конференциях:
Международная научно-техническая конференция, посвященная 70-летию основания Калининградского государственного технического университета (Калининград, 2000 г.);
Международная научно-техническая конференция Балттехмаш-2000. Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении (Калининград, 2000 г.);
Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-14 (Смоленск, 2001 г.);
Четвертой международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек» (Москва, 2001 г.)
Международная научно-техническая конференция Балттехмаш-2002. Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении (Калининград, 2002 г.)
Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-16 (Ростов-на-Дону, 2003 г.)
Международная научно-техническая конференция Балттехмаш-2004.(Калининград, 2004 г.)
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе, свидетельство на полезную модель № 27466 (2003 г.) и патент на изобретение № 2233109 (2004 г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с выводами, общего заключения, списка использованной литературы, включающего 67 отечественных и зарубежных источников. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, включая 4 приложения на 10 страницах, и содержит 42 рисунка, 3 таблицы.
Анализ взаимосвязей управляющих воздействий с основными показателями процесса производства консервов из обжаренной рыбы
При организации сбора и анализа данных в условиях действующих рыбообрабатывающих производств учитывались следующие факторы: ограниченные возможности проведения активных экспериментов; использование в управлении технологическим процессом большого объема не формализованной, качественной информации; необходимость обработки данных при малом объеме выборок; сложность идентификации возмущений в управляемом процессе.
Целевым назначением промышленных исследований является раскрытие взаимосвязей возможных управляющих воздействий с выходными показателями производства как основы определения организационно-технических мероприятий по компенсации причин, снижающих производительность, увеличивающих расход ресурсов и себестоимость продукции, дестабилизирующих качество.
Обследование линии по производству консервов из обжаренной рыбы направлено на:
-выявление, локализацию и ранжирование факторов, дестабилизирующих показатели качества продукции, приводящих к нерациональному расходованию ресурсов;
- идентификацию взаимосвязей показателей качества продукции со свойствами
сырья и режимами обработки, а также режимных показателей с потоками сырья, энергии, внешней средой и состоянием оборудования. Отдельные технологические операции в поточной линии связаны материальными, энергетическими и информационными потоками и направлены на достижение общих целей, поэтому в совокупности должны рассматриваться как единый процесс. Анализ литературы [9, 10, 11, 12, 13], результатов экспертного опроса сотрудников рыбоконсервного комбината п. Взморье колхоза «За Родину» и обследование поточной линии по производству стерилизованных консервов из обжаренной рыбы показало, что для него характерны следующие особенности:
-изменчивость сырьевой базы по виду, размерному ряду, жирности, срокам предварительного хранения и другим показателям;
- ограниченность теоретических представлений о связях показателей качества продукции с параметрами технологического процесса и характеристиками сырья;
- недостаточная оснащенность линии средствами автоматического контроля и управления, в частности, сложность регистрации температуры рыбы и потери ее массы непосредственно в процессе обжаривания;
- зависимость процента ужаривания от жирности рыбы, ее обезвоживания при хранении и дефростации, потери влаги после посола;
- широкое применение ручного труда.
Не механизированы, как правило, вспомогательные технологические операции (разделывание, порционирование, фасование), но в силу ряда причин (несовершенство технологического оборудования, значительные колебания размеров и свойств сырья) часто и основные технологические операции выполняются вручную.
Обследование поточной линии консервного цеха позволило выявить взаимосвязи управляющих воздействий с основными показателями процесса производства консервов из обжаренной рыбы (см. рис. 1.5).
Производственные потери, возникающие из-за недостатков в организации и управлении технологическими процессами, следующим образом разделялись по участкам консервного цеха. На участке размораживания потери ресурсов обусловлены перерасходом пара, воды, повышенной длительности технологического процесса, значительными отклонениями температуры воды (18 ± 6 С вместо требуемых 18 ± 2 С) и размороженной рыбы (от 0 до +12 С вместо от 0 до +2 С) от требований технологии, что приводит к увеличению временных и трудовых ресурсов, затрачиваемых на разделывание рыбы. Автоматическое регулирование температуры воды (50-60 С) позволит повысить качество готовой продукции, снизить долю ручного труда на последующих операциях.
При обжаривании рыбы потери обусловлены большим разбросом процента ужаривания и перерасходом масла из-за сверхнормативных отклонениях температуры. Фактически, температура масла изменяется в пределах от 125 С до 180 С, при допустимом уровне колебаний 140 ± 6 С, что приводит к снижению качества консервов и необходимости более частой смены масла. При средней производительности печи - 800 кг/ч, расход масла за счет впитывания в обжариваемую рыбу составит 240-560 кг в смену. Кроме того, от 1-2 % масла от его массы, находящейся в ванне, теряется за счет теплового разрушения [9].
При мойке банок после стерилизации температура моющего раствора в производственных условиях поддерживается в диапазоне 80 ± 15 С, что не отвечает требованиям технологической инструкции 80 ± 5С [5, 6].
Снижение качества, брак продукции и нерациональный расход энергии имеют место на участках панирования рыбы, заливки и закатки банок, варки соуса, стерилизации консервов.
В целом обследование линии по производству консервов из обжаренной рыбы показало, что несовершенство сортирования сырья и координации взаимосвязей отдельных технологических операций, несобЛюдение режимных параметров при хранении, размораживании, обжаривании рыбы, варке соуса, неполное использование оборудования по времени и по мощности, несовершенство учета материальных, сырьевых и энергетических ресурсов снижает качество и повышает технологическую себестоимость продукции.
Моделирование динамики потери массы при обжаривании
Динамика потери массы рыбой при обжаривании исследовалась экспериментально. Результаты исследования потери массы изложены в ряде работ [25, 26, 28, 29, 30, 31]. При проведении экспериментальных исследований значительное внимание уделялось подготовке сырья и методике проведения эксперимента. В работе [25] представлены результаты обжаривания на размороженной рыбе.
Рыбу размораживали в воде температурой 16-18 С в течение 1 часа и разделывали. У трески зачищали брюшную полость, промывали водой и тушку разрезали на куски длиной 5 см. Куски рыбы солили в насыщенном тузлуке до содержания соли около 2%, затем взвешивали и панировали. После двухминутной выдержки для набухания муки рыбу снова взвешивали. Панированную рыбу помещали в один слой в нагретое до определенной температуры растительное масло. Обжаривание производилось при температурах: 130 ± 2; 150 ± 2; 180 ± 2 С. Обжаренную рыбу вынимали из масла, выдерживали 20 минут для охлаждения и стечки масла, взвешивали. Определяли содержание влаги в рыбе после обжаривания. О потерях влаги рыбой судили по разности между содержанием ее в образце до и после обжаривания. Рассчитывали потерю влаги в процентах к массе панированной рыбы и влагосодержание по периодам обжаривания. Потерю влаги контролировали через 2; 4; 6; 8 и 10 минут. Каждый эксперимент повторялся не менее трех раз по 3-5 кусков в образце. Результаты опытов обрабатывались аналитически: определялись математические ожидания, абсолютная и относительная ошибки. Технохимическая характеристика сырья (треска): длина рыбы без головы
(23,5 ч-38.4)с.м,1с/, =33,4см; масса тушек, (330,3 + 920,6) , Mip = 687,7 г; масса кусков,
(73,5 268,5).?, mLp =146.9 г; содержание влаги (78,7- 81,1)%; содержание жира Ж. (0,3+0,5)%; удельная поверхность кусков Fn, (1,39+2,26) см /г.
Каждая экспериментальная точка на графике (рис.2.8) соответствует математическому ожиданию массы 10 кусков рыбы.
Экспериментальные и расчетные кривые потери массы в процессе обжаривания при различных температурах масла: 1, 4 - 180 С, 2, 5 - 150 С, 3, 6 - 130 С.
На графике (рис.2.8) представлены результаты экспериментальных (кривые 1, 2, 3) и теоретических (кривые 4, 5, 6) расчетов. Идентификация потери массы для одного момента времени позволяет с необходимой точностью (кривые 1, 2, 3) прогнозировать изменение потери массы рыбой от времени.
По мнению авторов [25], выявленная закономерность процесса обезвоживания рыбы при обжаривании в масле объясняется следующим. В начальный период происходит интенсивное удаление влаги из поверхностных слоев кусков, при этом влагосо-держание их быстро уменьшается, а температура увеличивается, растет градиент температур, направленный внутрь кусков рыбы. В следующие интервалы времени обжаривания термовлагопроводность тормозит перемещение влаги из внутренних слоев к поверхности, скорость обезвоживания постепенно уменьшается. Дополнительно скорость обезвоживания уменьшается в результате уменьшения градиента влагосодер-жания.
Согласно существующей технологической инструкции [5,6] потери массы при обжаривании атлантической трески всех размеров при производстве консервов составляют 25% к массе рыбы до обжаривания. Результаты экспериментов показывают, что необходимый процент ужаривания достигается за 10 минут при обжаривании в масле температурой 130 С, за 7-8 минут - при 150 С, за 4-5 минут - при 180 С.
Аналитически определялась зависимость скорости обезвоживания от температуры масла, времени обжаривания и основных показателей сырья (жирность, размерный ряд, начальное влагосодержание).
Основные расчетные зависимости (2.20, 2.21) получены с учетом следующих допущений [31]: на внешних поверхностях применимы граничные условия III рода; температура среды tc больше температуры фазового перехода t. (высокотемпературная сушка), равной температуре кипения воды, влага выкипает с поверхности, зона обезвоживания углубляется в тело рыбы; теплота фазового перехода равна теплоте парообразования воды. где сх,с2 - удельная теплоемкость в обезвоженном и нагреваемом слоях рыбы. Дж/(кг К): р},р2 - плотность в обезвоженном и нагреваемом слоях рыбы, кг/м3; Я, - теплопроводность обезвоженного слоя рыбы, Вт/(мК); кг - теплопроводность нагретого слоя рыбы, Вт/(мК); х - толщина обезвоженного слоя рыбы, м; R - радиус куска ры-бы. м; а - коэффициент теплоотдачи от масла к рыбе, Вт/м"К; tc - температура масла, С; гф - температура фазового перехода, С; рф - плотность вещества во время фазового перехода, кг/м3; гф - теплота фазового перехода, Дж/кг.
Время обезвоживания кусков рыбы как капиллярно-пористых тел, представленных в форме пластины и цилиндра, рассчитывалась по формулам (2.22, 2.23). После ряда преобразований получены решения уравнений (2.20,2.21) [31]. Время обезвоживания хт слоя толщиной х Для кусков рыбы в форме пласти ны: где слагаемые в квадратной скобке характеризуют затраты теплоты на фазовые превращения в единице объема и изменение энтальпии в зоне 1, 2; 8- полутолщина рыбы, м; гцо - температура в центре пластины (цилиндра), С; Ві - критерий Био, определенный для обезвоженного слоя; при высокотемпературной сушке пластины Л,=1,А!2=2.
Динамические характеристики системы* автоматического регулирования температуры масла
Система управления рыбообжарочной печью должна обеспечивать:
- минимальное время запуска печи при ограниченной температуре теплообменника;
- отсутствие локальных перегревов масла в пусковом и рабочих режимах;
- селективную инвариантность выходной переменной до допустимого значения по отношению к главным возмущающим воздействиям.
Основными возмущениями, влияющими на качество процесса регулирования, как следует из анализа результатов моделирования и обследования рыбоконсервных производств, являются изменения массового расхода и свойств сырья, подаваемого в рыбообжарочную печь, доливка масла и нестабильность давления пара, что характерно для систем теплоснабжения практически всех рыбокомбинатов.
Сформированные задачи управления можно решить, рассматривая рыбообжарочную печь как распределенный объект. При математическом описании печь представлялась как совокупность последовательно соединенных объектов идеального перемешивания. Перепад температур активного слоя масла по длине в прототипе печи соответствует 25-26 С. Изменение формы теплообменника позволяет снизить перепад температур до 7-8 С. В последнем случае перепад температур на каждой 0,1 части печи не превышает 1 С, что находится в пределах погрешности измерений температур. Поэтому при математическом моделировании протяженность каждого участка составляла десятую часть длины печи. Принятая дискретизация позволяет достаточно точно учесть влияние распределения температуры активного слоя масла на динамические характеристики печи [40].
Способы управления, минимизирующие время переходного процесса по температуре масла, должны учитывать ограничения на основное управляющее воздействие (давление пара в теплообменнике) и достижение технологически необходимой температуры на выходе печи к моменту загрузки рольганга [41].
Известно, что способы разработки квазиоптимальных систем по быстродействию разделяют на две группы [42]:
-способы, в которых используется приближенная модель объекта; -способы, в которых реализуются приближения к предварительно определенным оптимальным управлениям, полученным для точной модели объекта.
Методом структурных преобразований схемы, представленной на рис.3.11. получена передаточная функция
АРп (0,27р + 1)(1,2р + 1)(221р + 1) v определяющая динамические характеристики объекта по каналу: давление насыщенного пара в теплообменнике - температура масла в печи.
Синтез оптимальной по быстродействию программы для приведенной модели объекта может быть выполнен на основе теоремы об п-интервалах, сформулированной А.А. Фельдбаумом.
Согласно теореме об л-интервалах управление, минимизирующее время выхода печи на рабочий режим, должно содержать три интервала и на каждом из них процесс описывается следующим дифференциальным уравнением где а. - корни характеристического уравнения; Сц - постоянные интегрирования.
Для определения постоянных интегрирования и моментов переключения релейного элемента необходимо задать исходное и конечное состояние объекта.
В рассматриваемой задаче наибольшая постоянная времени значительно превышает остальные, что позволяет синтезировать квазиоптимальное управление по модели первого порядка. Упрощение математической модели практически не сказывается на динамике изменения температуры масла (рис.3.11).
Повышение температуры масла при фиксированном давлении пара в теплообменнике во временном интервале 0-г, изменяется практически по экспоненциальному закону (рис.3.10).
При использовании теоремы об п-интервалах как инструмента при синтезе оптимальной программы управления необходимо установить (или выявить) релейный элемент на входе объекта управления. В рассматриваемой задаче наибольшая постоянная времени объекта более чем на порядок превышает время полного открытия регулирующего органа. Указанное обстоятельство позволяет при поиске квазпоптп-мального алгоритма нагрева печи пренебречь инерционностью регулирующего органа.
Поэтому был принят следующий алгоритм нагревания печи: в теплообменнике поддерживается давление пара, соответствующее режиму обжаривания, а перегрев масла устраняется подачей рыбы при г = г,, где г, - момент времени, при котором температура масла на входе рыбы в печь достигает значения, определенного технологическим регламентом.
. Переходной процесс по каналу управления «давление пара-температура масла»: 1- модель первого порядка; 2- исходная модель.
При выборе топологии системы управления температурой активного слоя мае-ла, т.е. размещения датчиков и ранжирования приоритетов в использовании получаемой от них информации, учитывалось, что минимизация времени запуска требует поддерживать давление пара в теплообменнике на уровне Рт , соответствующем работе печи в режиме обжаривания при номинальной нагрузке, или температуру стенки теплообменника равной температуре конденсации пара при давлении Рт. Исключить локальный перегрев в этом случае можно правильным вь бором места измерения температуры активного слоя и закона изменения поверхности теплообменника, при 71 ходящейся на единицутишны печи. При запуске печи с рациональной формой теплообменника (см. 3.2.) температуру активного слоя масла следует измерять на участке, прилегающем к месту подачи рыбы в печь. Это объясняется наибольшей скоростью роста температуры масла tMH на этом участке при подаче пара в теплообменник. При достижении температуры масла в этом участке номинального значения подается рыба и, спустя время цикла, рольганг полностью загружен, а температура активного слоя масла на выходе из печи достигнет номинального значения. Следовательно, начиная с момента х = г, + хц, где тл - время, в течение которого температура масла на начальном участке печи достигнет номинального значения; тц - время цикла, т.е. время нахождения рыбы на рабочем участке рольганга, печь работает в квазистационарном режиме, а наиболее информативной становится температура активного слоя масла // на выходе из печи.
С целью повышения качества регулирования рассмотрим целесообразность использования двухконтурной системы регулирования температуры масла в рыбообжа-рочной печи.
Технические предложения по совершенствованию автоматизированной рыбообжарочной печи
Методом математического моделирования показано, что снижение затрат энергии и масла, а также времени подготовки печи к работе можно достичь совершенствованием конструкции, включая согласование формы теплообменника с потребляемой мощностью и системы управления печью, для стабилизации потери массы рыбы при изменяющихся свойствах сырья и давления пара в подводящей магистрали.
Адаптация температуры масла к свойствам сырья, исходя из минимизации отклонения потери массы при обжаривании от заданного значения, базируется на результатах измерений порций рыбы на входе и выходе из печи.
Обобщенная схема паромасляной рыбообжарочной печи, использованная при модернизации в качестве прототипа, приведена на рисунке 2.4.
Основные технические предложения по совершенствованию рыбообжарочной печи изложены в свидетельстве на полезную модель №27466 и патенте на изобретение №2233109.
Уменьшение расхода масла и энергозатрат достигается за счет выбора рациональной формы теплообменника; использования сетки, которая расположена непосредственно под теплообменником таким образом, что обе ее ветви охватывают пассивный слой масла; каскадной системы регулирования температуры масла и адаптации задания регулятору температуры масла по результатам циклического измерения потери массы рыбой; совершенствования устройства утилизации пара в теплообменнике печи.
Совокупность рассматриваемых технических решений позволяет сократить время выхода печи на рабочий режим на 3 минуты, что составляет 0,5 % при двухсменном графике работы линии и уменьшает потребляемую энергию на ЗООООкДж.
Схема модернизированной рыбообжарочной печи, оснащенной средствами автоматизации, приведена на рисунке 4.1
Результат математического моделирования формы теплообменника на распределение температуры активного слоя масла по длине печи рассмотрен в Результат математического моделирования распределения температуры активного слоя масла по длине печи, рассмотренный в 3.2, показал, что при F(l) - const, т.е. при постоянной площади теплообменника на единицу длины печи неравномерность температуры активного слоя масла в установившемся режиме достигает 20 С, а время выхода на режим 490 сек (рис.3.6).
Увеличить выпуск готовой продукции за счет сокращения времени нагревания печи, расхода масла и энергии можно, изменив форму теплообменника, следуя следующей зависимости:
Теплообменник рассчитанный по зависимости (4.1), обеспечивает стабилизацию температуры масла по длине печи в пусковом режиме , температура масла в конце печи не успевает достичь заданного значения (рис.3.8). Устранить указанный недостаток можно, если погонная площадь теплообменника на выходе продукта из печи вычислить, исходя из уравнения теплового баланса, составленного без учета теплового потока, передаваемого вдоль печи, и постоянства давления пара в теплообменнике:
Конструктивно автоматизированная рыбообжарочная печь выполнена в виде двух подсистем: блока управления и собственно рыбообжарочной печи, оснащенной устройствами измерения массы продукта на входе в печь и выходе из нее, датчиками температуры продукта на входе в печь, температуры масла, уровня воды и масла, регулирующими органами подачи воды, масла и пара, а также регуляторами температуры масла и стенки теплообменника, исполнительными устройствами в системе регулирования температуры масла и подключения сетки к конвейеру печи.
Блок управления 25, функционально включает в себя вычислительное устройство 21, регуляторы температуры масла 22 и стенки теплообменника 23, исполнительные устройства 7,24.
Печь содержит ванну 1, рольганг 2, транспортирующий рыбу, теплообменник 4 для нагревания масла с клапаном 10 регулирования расхода пара в паропроводе 16, замкнутую сетку 5, скребок 6 для ее очистки, исполнительное устройство 7, контейнер 8. Наличие сетки, как отмечалось выше в 2.4, препятствует развитию конвекции и, соответственно, уменьшает время нахождения частиц продукта во взвешенном состоянии. Печь также снабжена скребком для очистки сетки, причем вал привода сетки для обеспечения возможности ее периодического перемещения кинематически связан с приводным валом конвейера печи.
Из масла интенсивнее отводятся взвешенные частицы, что уменьшает скорость его окисления и расход на единицу продукции. Как показали эксперименты, наличие сетки снижает и теплоотвод в слой воды, в 2,5-3 раза. Последнее позволяет реже менять масло и воду. В совокупности эти факторы увеличивают время непрерывной работы печи и тем самым выпуск готовой продукции на 0,5 %.
Пассивный слой служит для снижения температуры на границе масла и воды. В нижней части ванны расположен слой воды (водяная подушка), который необходим для осаждения частиц, отделяющихся от обрабатываемого продукта. Рольганг 2 приводится в движение двухлинейным цепным конвейером 9. Печь содержит также клапаны 13 и 12 для долива масла и воды, датчики уровня масла 15 и воды 14. клапан 11 для слива воды, а также электромагнитную муфту 3 для периодического соединения цепного конвейера с сеткой. В состав печи входят устройства 17 для измерения массы продукта (рыбы) на входе и выходе из печи, датчик 19 температуры продукта, датчики 18 температуры масла, температуры стенки теплообменника 20; блок управления (БУ) 25, состоящий из вычислительного устройства 21, автоматических регуляторов температуры масла 22 и температуры стенки теплообменника 23 и исполнительного устройство 24. Уровни воды и масла контролируются датчиками уровня воды 14, масла 15.
Похожие диссертации на Система ресурсосберегающего управления процессом обжаривания рыбы
